标准模型

标准模型

虽然标准模型对实验结果的解释很成功，但它也有很大的缺陷。首先，模型中包含了许多参数，如各粒子的质量和各相互作用强度。这些数字不能只从计算中得出，而必须由实验决定。其次，理论所预测的希格斯玻色子到现时为止仍未被发现。弱电对称破缺还没有满意的解释。再次，理论中存在所谓的自然性问题。最后，这理论未能描述引力。

一.自然中三种基本相互作用

1强相互作用

2弱相互作用

3电磁相互作用

二.科学家为打破标准模型的尝试

1自从二十世纪七十年代标准模型建立之后，物理学家们就一直在尝试超越它。

2 他们必须用与它那些近乎完美的方程预言的结果相反的实验数据来推翻它，然后再从废墟上重新建造一个更

新更好的理论。

3坐落在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）内的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）正是推翻这个模型的最新尝试，也是许多人认为最可能成功的。

（1）它供应的巨大能量将会使粒子加速到标准模型力所不达的领域

（2）到目前为止，LHC 是最受欢迎的

4自 2001 年以来，坐落在美国伊利诺斯州费米实验室的 Tevatron 就不停将质子和反质子加速到万亿电子伏特的对撞能级了。

5 超出标准模型的东西已经出现

（1）与标准模型不符的结果之一就是对奇异 B 介子（Bs）的测量。

（2）奇异 B 介子是由一个奇异夸克和一个反底夸克组成的，在介子的世界中算是非常重量级的。

（3）根据电荷-宇称对称性，标准模型预言奇异 B 介子和它的反粒子（由一个反奇异夸克和一个底夸克组成）的衰变路径相同。

（4）据 Tevatron D-Zero 实验的发言人 Dmitri Denisov 所言，这种差异在将来的探索中可能会成为一条重要的线索，可能意味着存在未知的粒子或者法则。

三.标准模型的内容

1标准模型包含费米子及玻色子

（1）费米子为拥有半整数的自旋并遵守庖利不相容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子

（2）玻色子则拥有整数自旋而并不遵守庖利不相容原理。

（3）简单来说，费米子就是组成物质的粒子而玻色子则负责传递各种作用力。

2电弱统一理论与量子色动力学

（1）这些理论都是规范场论，即它们把费米子跟玻色子（即力的中介者）配对起来，以描述费米子之间的力。（2）由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为规范玻色子。

标准模型所包含的玻色子有：

胶子：强相互作用的媒介粒子，自旋为1，有8种

光子：电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有1种

W 及 Z 玻色子：弱相互作用的媒介粒子，自旋为1，有3种

希格斯粒子：

引导规范组的自发对称性破缺，亦是惯性质量的源头

在众玻色子中，只有希格斯玻色子不是规范玻色子。而负责传递引力相互作用的玻色子——引力子则未能被包括入标准模型之中。

规范玻色子的规范变换是可以准确地利用一个称为“规范群”的酉群去描述。强相互作用的规范群是

SU(3)，而电弱作用的规范群是SU(2)×U(1)。所以标准模型亦被称SU(3)×SU(2)×U(1)。

4.标准模型包含有12种“味道”的费米子

组成大部份物质三种粒子

质子和中子只是由更基本的夸克，受强作用力吸引而组成。

（1）质子

（2）中子

（3）电子：当中只有电子是这套理论的基本粒子。

标准模型的基本费米子

费米子可以分为三个“世代”。第一代包括电子、上及下夸克及电子中微子。所有普通物质都是由这一代的粒子所组成；第二及第三代粒子只能在高能量实验中制造出来，而且会在短时间内衰变成第一代粒子。把这些粒子排列成三代是因为每一代的四种粒子与另一代相对应的四种粒子的性质几乎一样，唯一的分别就是它们的质量。例如，电子跟μ子的自旋皆为半整数而电荷同样是-1，但μ子的质量大约是电子的二百倍。

电子与电子中微子，以及在第二、三代中相对应的粒子，被统称为轻子。它们与其他费米子不同处在于它们没有一种叫“色”的性质，所以它们的作用力（弱力、电磁力）会随距离增加变得越来越弱。相反，夸克间的强力会随距离增加而增强，所以夸克永远只会在色荷为零的组合中出现，这些不同的组合被统称为“强子”。（1）第一代

左旋电子 e -1 2 -1/2 -1/2 1 0.511 MeV

左旋电子中微子ν e 0 2 +1/2 -1/2 1 < 50 eV

左旋正子 ec 1 1 0 1 1 0.511 MeV

左旋电子反中微子 \nu_e^c 0 1 0 0 1 < 50 eV

左旋上夸克 u +2/3 2 +1/2 +1/6 3 ~5 MeV ***

左旋下夸克 d -1/3 2 -1/2 +1/6 3 ~10 MeV ***

左旋反上夸克 uc -2/3 1 0 -2/3 \bar ~5 MeV ***

左旋反下夸克 dc +1/3 1 0 +1/3 \bar ~10 MeV ***

（2）第二代

左旋μ子μ -1 2 -1/2 -1/2 1 105.6 MeV

左旋μ子中微子νμ 0 2 +1/2 -1/2 1 < 0.5 MeV

左旋反μ子μc 1 1 0 1 1 105.6 MeV

左旋μ子反中微子 \nu_\mu^c 0 1 0 0 1 < 0.5 MeV

左旋魅夸克 c +2/3 2 +1/2 +1/6 3 ~1.5 GeV

左旋奇夸克 s -1/3 2 -1/2 +1/6 3 ~100 MeV

左旋反魅夸克 cc -2/3 1 0 -2/3 \bar ~1.5 GeV

（3）第三代

左旋τ子τ -1 2 -1/2 -1/2 1 1.784 GeV

左旋τ子中微子ντ 0 2 +1/2 -1/2 1 < 70 MeV

左旋反τ子τ c 1 1 0 1 1 1.784 GeV

左旋τ子反中微子 \nu_\tau^c 0 1 0 0 1 < 70 MeV